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冷凝器大直径接管的有限元计算与强度分析

发布于:2016-04-03 18:16
强度分析

      圆柱壳开孔接管是压力容器中的一种最常见的结构,而大开孔接管在压力容器设计中也经常遇见。开孔会在壳体上造成局部高应力,从而严重影响了壳体的承载能力。有关该部位的有限元应力计算与强度分析国内外研究人员做过了大量的工作。
      通常对开孔结构的强度评定常采用一些经验公式来估算接管部位局部应力的最大值,然后将最大应力值与规范所规定的极限值加以比较的方法或采用WRC-2979中推荐的方法,多数不能满足开孔率d/D=0.5的平齐接管结构的要求。在一冷凝器设计中,筒体上设置有与筒体等直径的平齐式接管,为验证设计的安全可靠,本研究运用有限元分析方法,对结构进行了应力分析,得到了冷凝器接管部位详尽的应力场和最大应力发生部位,并运用分析设计原理进行结构的强度评定,发现原设计结构的强度不足,在此基础上本研究进行了多方案的分析,从而提出了较佳的方案,为该设备的安全设计提供了依据。
      冷凝器为U形管式,设计压力为0.6MPa,水压试验压力为0.75MPa,筒体与接管材料均为304L,材料特性:E=2.0Xe5MPa。冷凝器设计温度为250℃,焊缝系数P=1.0。筒体总长约3.9m,筒体与接管内径均为500mm,壁厚均为6mm,接管为大开孔平齐式结构。对所研究的冷凝器,采用大型有限元分析AppANSYS进行分析。筒体与接管垂直相连接,在均匀内压作用下仅有一个对称面—筒体轴线与接管轴线组成的面(XOY面),因此计算模型取筒体与接管结构的1/2,又考虑到一端封头与筒体连接边缘,距筒体与接管连接的相贯线较近125mm,封头对接管部位的局部应力可能产生影响,故把封头也计入模型中,而另一端封头距接管较远,分析时只取较长一段筒体,具体模型见图。位移边界条件:由于对称性,在接管与筒体的对称面-XOY面上施加对称约束。
      另外,在远离接管与筒体相贯区的接管和筒体的横截面上的中部各施加一个固定约束以防止刚体位移。力边界条件:在远离接管与筒体相贯区的接管和容器的横截面上,施加均布载荷,。其中p为内压,do、d为筒体与接管的外径与内径。本研究计算单元类型采用国际通用的大型结构有限元分析AppANSYS中的Solid45号单元(C8节点三维实体单元)。考虑到设备开孔很大和壁厚较薄,为提高分析精度,网格划分时全部采用映射网格,网格划分沿厚度方向上共分三层,沿筒体与接管方向也划分了较多的层,特别是在筒体与接管连接区的相贯线附近进行了局部的网格细化。整个计算模型共划分了43534个单元,共58901个节点。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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